JP2006311720A - 昇圧装置 - Google Patents

Abstract

【課題】昇圧電圧よりも低い耐圧のコンデンサを使用可能として、小型軽量の昇圧装置を提供することを目的としたものである。
【解決手段】直流電源１９（バッテリー１）のプラス側に接続されるコイル６の他端にダイオード７のアノードを接続し、当該接続点と直流電源１９のマイナス側との間にスイッチング素子（トランジスタ８）を接続して、直流電源１９のプラス側とダイオード７のカソードとの間にコンデンサ９を接続する。この構成により、コンデンサ９に加わる電圧は、昇圧電圧から直流電源１９の電圧を引いた電圧になる。従って、昇圧電圧よりも低い耐圧のコンデンサ９が使用可能となり、小型軽量の昇圧装置が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は昇圧装置に関し、特に昇圧装置用コンデンサの小型軽量化に関するものである。

従来の昇圧装置の構成と動作を図５により説明する（例えば、特許文献１参照）。

図５において、従来の昇圧装置は、直流電源１９と、直流電源１９のプラス側に接続されるコイル６と、コイル６の直流電源１９とは反対側にアノード側が接続されるダイオード７と、コイル６とダイオード７との接続点と直流電源１９のマイナス側との間に接続されるスイッチング素子であるトランジスタ８と、ダイオード７のカソード側と直流電源１９のマイナス側との間にコンデンサ１８とがそれぞれ接続されて構成している。

スイッチング素子であるトランジスタ８がＯＮすると、直流電源１９のプラス側、コイル６、トランジスタ８、直流電源１９のマイナス側の経路で電流が流れる。直流電源１９の電圧をＶ、電流をｉ、時間をｔ、コイル６のインダクタンス値をＬとすると、Ｖ＝Ｌｄｉ／ｄｔが成立する。Ｖは直流電圧で一定値であるので、電流の時間変化は一定、即ち直線的に増加する。

トランジスタ８がＯＦＦすると電流の増加は停止する。この時点での電流値をｉｐとすると、コイル６のインダクタンス値Ｌとで定まる１／２Ｌｉｐ^２のエネルギーがコイル６に蓄えられている。トランジスタ８がＯＦＦすることにより、このエネルギーはダイオード７を経由して、コンデンサ１８へ放出される。

図示していないが、コンデンサ１８の電圧を検出してトランジスタ８のＯＮ／ＯＦＦを制御する制御回路により、コンデンサ１８の電圧は所定の昇圧電圧に保たれる。そして、コンデンサ１８から負荷１６へ昇圧電圧の電流が流される。
特開２００３−３３３８３６号公報（第１４頁、図１）

上記従来の構成の昇圧装置においては、必然的にコンデンサの耐圧は昇圧電圧以上にしなければならない。耐圧の高いコンデンサは、構造的に、サイズ及び重量が大きくなる。そのため、昇圧装置全体のサイズや重量へ影響を与えてしまう。

空調装置においては、空調の立ち上がり時は一時的に大きいパワーが必要となる。このため電動圧縮機を駆動するインバータ装置に２倍程度に昇圧された直流電源電圧を供給するのが好ましい。然しながら、従来の昇圧装置では一時的に必要な昇圧のために、サイズや重量の大きいコンデンサが必要となってしまう。

また、電気自動車、ハイブリッド車、燃料電池車などの車両用の空調装置においては、耐振化、小型化への考慮が必要である。そのため、昇圧によるサイズや重量の増加は極力抑制しなければならない。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、小型で軽量な昇圧装置の提供を目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の昇圧装置は、直流電源のプラス側に接続されるコイルの他端にダイオードのアノードを接続し、当該接続点と直流電源のマイナス側との間にスイッチング素子を接続して、直流電源のプラス側とダイオードのカソードとの間にコンデンサを接続するものである。

この構成により、コンデンサに加わる電圧は、昇圧電圧から直流電源の電圧を引いた電圧となり、昇圧電圧よりも低い耐圧の小型軽量なコンデンサが使用可能となる。

本発明の昇圧装置は、昇圧電圧よりも低い耐圧のコンデンサが使用可能であり、小型軽量の昇圧装置が得られる。

第１の発明は、直流電源のプラス側に接続されるコイルの他端にダイオードのアノードを接続し、当該接続点と直流電源のマイナス側との間にスイッチング素子を接続して、直流電源のプラス側とダイオードのカソードとの間にコンデンサを接続する。この構成により、コンデンサに加わる電圧は、昇圧電圧から直流電源の電圧を引いた電圧となり、昇圧電圧よりも低い耐圧の小型軽量なコンデンサが使用可能となる。

従って、昇圧電圧よりも低い耐圧のコンデンサが使用可能となり、小型軽量の昇圧装置が得られる。

第２の発明は、第１の発明において、直流電源をバッテリーとするものである。これにより、直流電源の電圧が安定しているため安定した昇圧電圧が得られる。

第３の発明は、第１または第２の発明において、電圧極性のないコンデンサを使用するものである。これにより、昇圧しない状況において、直流電源と負荷間において交流をバイパスすることができる。また、起動時において、逆電圧がかかるような場合においても使用できる。

第４の発明は、第１〜３の発明において、直流電源と並列に第２のコンデンサを接続するものである。これにより、直流電源が高周波電流を流せない場合においても、負荷に昇圧電圧の高周波電流を流すことができる。

第５の発明は、第１〜４の発明において、ダイオードのカソード側と直流電源のマイナス側との間に第３のコンデンサを接続するものである。これにより、直流電源が高周波電流を流せない場合においても、このコンデンサから負荷に昇圧電圧の高周波電流を流すことができる。このコンデンサの耐圧は昇圧電圧以上必要であるが、高周波電流を流せるだけの静電容量でよいので、小さいものでよい。

第６の発明は、第１〜５の発明において、昇圧装置は、空調装置の電動圧縮機を駆動するインバータ装置に用いられるものである。空調の立ち上がり時は一時的に大きいパワーが必要であり、これには２倍程度の昇圧が有効になる。そのためには、コンデンサの耐圧も２倍必要となり、一時的な昇圧のために大型化してしまう。然しながら、本発明によりコンデンサの耐圧向上は必要ない。従って、昇圧によるサイズや重量の増大を抑制できる効果が大きい。

第７の発明は、第１〜５の発明において、昇圧装置は、車両用空調装置の電動圧縮機を駆動するものである。車両用空調装置には通常の空調装置の要求に加えて耐振化、小型化
の考慮が必要であるが、昇圧によるサイズや重量の増大を抑制できるため昇圧対応が容易となり、好適である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１に、本発明の第１の実施の形態における昇圧装置の電気回路図を示す。従来の昇圧装置の電気回路図である図５と共通になる箇所には、同一の符号を用いている。従来の昇圧装置の電気回路図である図５とは、従来のコンデンサ１８に代わり、コンデンサ９が直流電源１９のプラス側とダイオード７のカソードとの間に接続されている点が異なる。

図１について、以下その動作を説明する。スイッチング素子であるトランジスタ８がＯＮすると、直流電源１９のプラス側、コイル６、トランジスタ８、直流電源１９のマイナス側の経路で電流が流れる。直流電源１９の電圧をＶ、電流をｉ、時間をｔ、コイル６のインダクタンス値をＬとすると、Ｖ＝Ｌｄｉ／ｄｔが成立する。Ｖは直流電圧で一定値であるので、電流の時間変化は一定、即ち直線的に増加する。

トランジスタ８がＯＦＦすると電流の増加は停止する。この時点での電流値をｉｐとすると、コイル６のインダクタンス値Ｌとで定まる１／２Ｌｉｐ^２のエネルギーがコイル６に蓄えられている。トランジスタ８がＯＦＦすることにより、このエネルギーはダイオード７を経由して、コンデンサ９へ放出される。このとき、コイル６、ダイオード７、コンデンサ９、コイル６へと電流が流れてコンデンサ９が充電される。図示していないが、コンデンサ９のプラス側の電圧を検出し、トランジスタ８のＯＮ／ＯＦＦを制御する制御回路により、コンデンサ９のプラス側の電圧は所定の昇圧電圧に保たれる。そして、コンデンサ９から負荷１６へ昇圧電圧の電流が流される。

この構成において、昇圧電圧は直流電源１９の電圧にコンデンサ９の電圧を足した電圧になる。そのため、直流電源１９の電圧が２００Ｖ、昇圧電圧が４００Ｖとした場合、コンデンサ９の耐圧電圧は、２００Ｖでよい。

一方、従来の昇圧装置図５において、この場合のコンデンサ１８の耐圧電圧は４００Ｖ必要になる。コンデンサの耐圧電圧を上げるには、コンデンサの対向するプラス極マイナス極間の距離を広げる必要がある。然しながら、コンデンサの対向するプラス極マイナス極間の距離を広げるとコンデンサの静電容量が低下してしまうので、対向するプラス極マイナス極の面積を広げる必要がある。従って、コンデンサの耐圧電圧を上げることにより、サイズと重量が大きく増加してしまう。

以上のように、本実施の形態において、コンデンサの耐圧電圧は昇圧電圧まで上げる必要がないので、小型軽量のコンデンサを使用可能となり、小型軽量の昇圧装置が得られる。

（実施の形態２）
図２に、本発明の第２の実施の形態における昇圧装置の電気回路図を示す。実施の形態１の図１に対して、直流電源１９としてバッテリー１が用いられ、バッテリー１と並列に第２のコンデンサ１０が追加接続されている。

図２において、直流電源がバッテリーであるので、その直流電圧は交流商用電源を整流した直流電圧に比べてリップルがなく、安定した昇圧電圧を得られる。バッテリー１が高周波電流を流せない場合、第２のコンデンサ１０が高周波電流を流してコンデンサ９から
負荷１６へ高周波電流を流すことができる。

トランジスタ８をスイッチングせず昇圧しない状況において、電源側と負荷側はコイル６とダイオード７により遮断される。然しながら、コンデンサ９を電圧極性のないフィルムコンデンサもしくはセラミックコンデンサ等とすることにより、直流電源と負荷間において交流を流すことができる。また、起動時にコンデンサ９が充電されておらず、逆電圧がかかる場合においても使用できる。

（実施の形態３）
図３に、本発明の第３の実施の形態における昇圧装置の電気回路図を示す。実施の形態１の図１に対して、直流電源１９としてバッテリー１が用いられ、ダイオード７のカソード側とバッテリー１のマイナス側との間、即ち負荷１６と並列に第３のコンデンサ１１が接続されている。

図３において、バッテリー１が高周波電流を流せない場合、第３のコンデンサ１１から負荷１６へ高周波電流を流すことができる。第３のコンデンサ１１の耐圧は昇圧電圧以上必要であるが、低周波電流はコンデンサ９から流されるので、従来の昇圧装置の電気回路図である図５のコンデンサ１８より静電容量の小さいもの、即ちサイズ重量の小さいものでよい。

従来の昇圧装置の電気回路図である図５のコンデンサ１８のような昇圧電圧以上の耐圧で高周波電流も低周波電流も流せる充分な静電容量のコンデンサが入手できない場合、この方法で対応できる。

（実施の形態４）
図４に、本発明の第４の実施の形態における昇圧装置の電気回路図を示す。実施の形態１の図１に対して、直流電源１９としてバッテリー１が用いられ、実施の形態２における第２のコンデンサ１０、実施の形態３における第３のコンデンサ１１を備えている。また、インバータ装置１２が負荷として接続されている。インバータ装置１２のスイッチング素子２はＩＧＢＴ等が用いられ、上アームスイッチング素子はＵ，Ｖ，Ｗ、下アームスイッチング素子はＸ，Ｙ，Ｚと表示している。インバータ装置１２には、モータを構成する固定子巻線４と回転子５とを有する電動圧縮機１３が接続されている。

図４において、インバータ装置１２の制御回路（図示せず）はスイッチング素子２を制御し、バッテリー１からの直流電圧もしくは昇圧された直流電圧をＰＷＭ変調もしくはＰＡＭ変調でスイッチングすることにより、交流電流を電動圧縮機１３の固定子巻線４へ出力する。インバータ装置１２を構成するダイオード３は、固定子巻線４に流れる電流の循環ルートとなる。

インバータ装置１２において、バッテリー１からもしくは昇圧されてコンデンサ９、第３のコンデンサ１１から直流電流が流れる場合、矩形波的な電流となる。この電流は高周波成分を含むので、第２のコンデンサ１０と第３のコンデンサ１１が有効に作用する。

電動圧縮機１３を備えた空調装置において、空調の立ち上がり時は一時的に大きいパワーが必要であり、これには２倍程度の昇圧が有効となる。そのためには、コンデンサの耐圧を２倍とするとともに、静電容量の増加も必要となりコンデンサが大型化する。

本実施の形態４において、第３のコンデンサ１１の静電容量を昇圧しないときに必要な程度の小さい静電容量としても、昇圧するときにはコンデンサ９も機能して静電容量が追加されて、昇圧に必要な大きい静電容量を確保できる。コンデンサが第３のコンデンサ１
１とコンデンサ９との２個となっても、それぞれが小型であり配置が容易となる。従って、昇圧によるサイズや重量の増大を抑制できる。

さらに、車両用空調装置には通常の空調装置の要求に加えて耐振化、小型化の考慮が必要であるが、本発明の昇圧装置を車両用空調装置の電動圧縮機を駆動するものに適用すれば、昇圧によるサイズや重量の増大を抑制できるため昇圧対応が容易となり、好適である。

なお、車両用の空調装置においては、バッテリー１と並列の第２のコンデンサ１０は別途設けることなく、走行モータ駆動用インバータ装置やコンバータ装置など、バッテリー１と並列に接続されている装置のコンデンサを共用してもよい。

以上のように、本発明にかかる昇圧装置は、小型軽量であるので、家電製品、移動体用製品、産業用製品等広く適用できる。

本発明の第１の実施形態を示す昇圧装置の電気回路図 本発明の第２の実施形態を示す昇圧装置の電気回路図 本発明の第３の実施形態を示す昇圧装置の電気回路図 本発明の第４の実施形態を示す昇圧装置の電気回路図 従来の昇圧装置の電気回路図

符号の説明

１ バッテリー
６ コイル
７ ダイオード
８ トランジスタ
９ コンデンサ
１０ 第２のコンデンサ（高周波電流通電用）
１１ 第３のコンデンサ（高周波電流供給用）
１２ インバータ装置
１３ 電動圧縮機
１９ 直流電源

Claims (7)

1. 直流電源と、前記直流電源のプラス側に接続されるコイルと、前記コイルの前記直流電源とは反対側にアノード側が接続されるダイオードと、前記コイルと前記ダイオードとの接続点と前記直流電源のマイナス側との間に接続されるスイッチング素子と、前記直流電源のプラス側と前記ダイオードのカソードとの間に接続されるコンデンサとを備えた昇圧装置。
2. 直流電源はバッテリーである請求項１記載の昇圧装置。
3. コンデンサは電圧極性のないコンデンサである請求項１または請求項２記載の昇圧装置。
4. 直流電源と並列に第２のコンデンサが接続される請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の昇圧装置。
5. ダイオードのカソード側と直流電源のマイナス側との間に第３のコンデンサが接続される請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載の昇圧装置。
6. 空調装置の電動圧縮機を駆動するインバータ装置に用いられる請求項１から請求項５のうちいずれか一項に記載の昇圧装置。
7. 車両用空調装置の電動圧縮機を駆動するインバータ装置に用いられる請求項１から請求項５のうちいずれか一項に記載の昇圧装置。